基于MEMS傳感器與慣性開關的目標識別技術研究

趙忠海，焦志剛，李 木，劉洪濤，范衛民

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院， 沈陽 110000； 2.遼寧華興機電有限公司， 遼寧 錦州 121017)

為了提高地空導彈的單發毀傷概率，應設法提高引戰配合效率[1-2]。理想的引信，應該能夠在最佳炸點引爆導彈戰斗部，使戰斗部破片飛散區中心對準目標要害中心，使引戰配合效率最大。有效的目標識別是實現最佳炸點引爆控制的基礎，為了實現引信對不同硬度目標的識別與起爆精確控制，本文利用MEMS傳感器和機械慣性開關對不同目標硬度的識別特性，實現命中目標后的精確延時起爆。采用分析設計方法取代經驗設計方法，通過計算機仿真優化方案的結構參數，設計適應不同目標的觸發機構，開展對不同目標識別的技術研究。

1 導彈碰撞目標數值分析

根據防空導彈作戰目標的結構特點，設定導彈對不同的攻擊目標和撞擊姿態數值模擬導彈以60°的彈頭落角(彈軸與靶板平面的夾角)撞擊1 mm鋁板和6 mm鋼板，彈頭碰撞靶板示意圖如圖1。

圖1 彈頭碰撞靶板示意圖

為了減少彈體有限元模型網格數量，提高分析效率[3-4]，方便有限元模型的建立和網格剖分，對撞擊過程做如下簡化：

1) 僅考慮彈頭部分撞擊在靶板上的作用效應，由于不考慮發動機部分，建立彈頭有限元模型時將尾部封閉，形成一個完整的筒狀薄壁結構；

2) 翼狀結構僅在飛行過程中起穩定作用，在撞擊過程中不考慮前翼對撞擊的影響；

3) 彈頭薄壁和內部結構簡化為一個實體模塊；

4) 將整彈質量等效至彈頭(不同靶板撞擊分析時彈頭的長度略有差異，但彈頭的質量相同)；

5) 整個撞擊過程不考慮熱效應；

6) 不計空氣阻力和自身重力的影響；

7) 在撞擊之前，靶板不受任何外力作用；

8) 撞擊過程中不考慮靶板的整體運動；

9) 靶板的表面是均勻光滑的平面。

彈頭撞擊靶板的過程中，靶板和彈頭薄壁結構均有可能發生破壞。考慮到實際結構的尺寸(彈頭壁厚與靶板厚度遠小于彈頭長度)，因此，靶板與彈頭薄壁結構均使用殼單元，能夠模擬在瞬間撞擊時發生的失穩破壞。

撞擊問題具有局部大變形效應，該效應局限于彈頭與靶板接觸附近的區域。故在劃分網格時對這一區域撒布尺寸較小的單元種子，生成較密的網格；在距接觸點位置較遠處采用較疏的網格進行劃分。約束靶板四個側面的所有自由度，且靶板側面定義為非反射邊界，模擬成無限大靶板，以消除靶板的邊界效應。

整個建模過程采用毫米單位制。彈頭尖端與軸線的交點距靶板的初始垂直間距設為600 mm，撞擊過程在0.01 s內完成。在算法計算過程中經常由于網格發生巨大畸變而導致計算終止。當數值分析過程超過了可承受的計算規模和時間時也會導致計算終止。此時需要不斷調整網格大小來適應數值計算。作用過程及應力云圖如圖2、圖3所示，其撞擊曲線如圖4、圖5所示。模擬結果分析：從模擬結果可以看出在彈落角相同的情況下，1 mm鋁板的破壞程度明顯大于6 mm鋼板。比較了以彈落角60°撞擊靶板瞬間時刻的彈頭加速度，可以看出，擊穿6 mm鋼板時受到的反向加速度更大。

圖2 彈頭落角60°穿靶6 mm鋼板作用過程 有限元仿真圖

圖3 彈頭落角60°穿靶1 mm鋁板作用過程 有限元仿真圖

圖4 導彈60°落角撞擊6 mm鋼板靶板過載曲線

圖5 導彈60°落角撞擊1 mm鋁板靶板過載曲線

通過仿真數值分析，防空導彈撞擊1 mm鋁板時慣性加速度為3 143 m/s2，撞擊6 mm鋼板時慣性加速度為18 695 m/s2.考慮導彈頭部及連接部為薄壁鋁制結構，觸發引信一般位于導引頭等艙段后，慣性組件與引信連接緩沖等原因，設定導彈對鋁制目標的觸發慣性過載為300g，對鋼制目標觸發慣性過載為1 800g，開展后續工作。

2 MEMS傳感器慣性觸發電路設計

2.1 MEMS傳感器設計及驗證

MEMS加速度計通過測量碰撞加速度并將加速度數據以二進制補碼的形式反饋給單片機，由單片機處理數據后，來決定是否輸出觸發信號[5-7]。仿真數據分析后，設定MEMS觸發系統在受到300g以上的慣性力時可靠作用。單片機選用C8051F331微控制器，加速度計選用H3LIS331DL加速度傳感器，其中，單片機設置為主機、加速度計設置為從機、數據傳輸采用四線SPI通信。查閱數據手冊確定主機與從機的使用方式、電氣參數及尺寸，確定供電電路及通信協議并設計電路原理與PCB，經查閱單片機與加速度計的供電電壓(VCC)為3.3 V直流電，于是選用電源穩壓器L78L33，將20 V直流電源穩定為3.3 V，達到供電目的。通過加速度沖擊試驗確定是否滿足MEMS加速度計觸發要求。原理圖如圖6所示。

圖6 MEMS觸發系統的電路原理圖

2.2 沖擊試驗

使用沖擊臺對電路模塊進行慣性沖擊，通過試驗臺g值傳感器對沖擊臺g值進行測量。試驗分別進行250g值沖擊2次，350g值沖擊2次。MEMS傳感器感應g值波形如圖7～圖10所示。

圖7 250g沖擊MEMS傳感器MATLAB分析波形

圖8 350g沖擊MEMS傳感器MATLAB分析波形

圖9 250g值時傳感器濾波輸出波形

圖10 350g值時傳感器濾波及單片機輸出波形

2.3 試驗結果

MEMS加速度計共經過四組加速度沖擊試驗，試驗加速度值分別為250g、253g、363g、360g。其中前兩組試驗MEMS系統不作用，后兩組試驗MEMS系統作用，發出觸發信號。

3 慣性開關設計

3.1 慣性開關設計

慣性開關放置于引信內部，在撞擊的瞬間由于慣性力的作用，內部構件會發生位移，從而產生閉合信號，慣性開關主要由接電銷、嵌套、接電套、接電塊、接電簧、緩沖彈簧構成，將以上構件按照設計要求放入絕緣套中，接電銷與接電套可以在絕緣套中沿長軸移動，接電塊和嵌套固定在絕緣套內，接電銷與嵌套間由接電簧連接，接電套與接電塊間由緩沖彈簧連接，頂部采用壓螺進行封裝。如圖11(a)所示為慣性開關的三維幾何模型正視圖，圖11(b)為慣性開關的剖面圖。經設計計算，接電簧的勁度系數k1=4.05 N/m，緩沖彈簧的勁度系數k2=737 N/m。

慣性開關的作用原理：

1) 當導彈撞擊軟目標時，接電銷克服接電簧抗力向前移動，與接電套接觸，從而產生閉合信號；而接電套因緩沖彈簧抗力大，而相對未發生移動，實現小g值的有效閉合。

2) 當導彈撞擊硬目標時，接電銷克服接電簧抗力向前移動，與接電套接觸；同時，接電套克服緩沖彈簧抗力隨接電銷共同向上移動，實現減少接電銷回彈力和增加接電銷與接電套接觸時間的效果，從而產生相對持續的閉合信號，實現大g值的有效閉合。

圖11 慣性開關

3.2 慣性開關仿真分析

考慮對不同目標撞擊時產生的作用力不同，撞擊效果也不同(擊穿，未擊穿)，為了充分考慮各種撞擊情況，分別模擬200g、500g、1 000g、3 000g、5 000g、10 000g和20 000g慣性力作用下的閉合狀態。

按照幾何模型建立慣性開關有限元數值模型，為了減少有限元模型網格數量，提高分析效率，對慣性開關結構做如下簡化：

1) 由于絕緣套僅起到固定構件的作用，因此在數值模型建立的過程中不再建立絕緣套的實體模型，而將其對構件的約束轉化為相應的邊界條件直接施加在構件上；

2) 構件為銅合金材質，硬度大，撞擊過程中可以忽略構件本身的變形，因此將構件均視為剛性體；

3) 為了方便有限元數值模型的建立，幾何模型中的倒角在有限元數值模型中均按直角處理；

4) 絕緣套內壁是光滑的，不計空氣阻力的影響；

5) 在撞擊之前，慣性開關不受任何外力作用；

6) 由于彈簧構架的截面積遠小于整體構件尺寸，且形狀復雜，為了避免過于繁瑣的建模，不再單獨建立彈簧的有限元數值模型，直接使用ABAQUS中的彈簧單元替代，考慮彈簧的實際受力情況，根據彈簧并聯時勁度系數的關系對彈簧單元的勁度系數進行折減。

由于分析慣性開關在受到慣性力作用下的狀態，因此需要考慮構件的質量，選擇可變形體建模，在材料屬性中設置材料的密度，使用六面體進行網格劃分，構件質量會根據單元大小和密度自動計算，在ABAQUS相互作用模塊對構件創建剛體約束，將構件轉化成剛體。根據幾何模型中的彈簧構件的位置，保證彈簧長度一致，選取相互對稱的位置添加彈簧單元，并根據折減施加每根彈簧的勁度系數。整個建模過程采用毫米單位制。有限元數值模型和網格剖分如圖12所示(圖12中的細線為等效的彈簧單元)。

圖12 慣性開關有限元數值模型

從模擬結果可以看出在不同g值的情況下，接電銷與接電套接觸時間與慣性過載持續時間成線性關系。在小g值沖擊時，當沖擊過載消失時接電銷與接電套立即分開；在大g值沖擊時，當沖擊過載消失時接電銷與接電套仍可持續一段接觸時間。

將慣性開關通過工裝擰緊在沖擊平臺中心位置，通過調整沖擊平臺高度和信號發生器類型來調整所受沖擊g值。小g沖擊慣性開關輸出圖像如圖13所示，大g沖擊慣性開關輸出圖像如圖14所示。

圖13 小g沖擊慣性開關輸出圖像

圖14 大g沖擊慣性開關輸出圖像

試驗結果為：當沖擊慣性g值小于1 800g值時慣性開關與普通碰炸開關區別不大，隨沖擊持續時間變化而變化；當沖擊慣性g值較大時，其可延長一定的閉合時間，實現對高g值慣性過載的有效感知。

4 目標識別設計

4.1 目標識別解算準則

當導彈與目標碰撞時，引信根據MEMS慣性觸發電路和慣性開關觸發輸出信號時間差異，感知識別不同硬度目標。感知信息與導引頭提供的目標信息進行綜合解算，從而精確起爆戰斗部[8-13]，實現制導引信一體化引戰配合設計。

目標識別解算準則：

1) 根據2路不同的觸發輸出信號時間差異感知不同硬度目標，控制芯片根據兩路信號時間先后差異，結合導引信息，進行延時精確起爆控制。

2) 當沖擊慣性g值小于1 800g值時，MEMS慣性觸發電路響應速度快先行輸出起爆信號，慣性開關在MEMS慣性觸發電路響應后輸出閉合；當沖擊慣性g值較大時，慣性開關先行輸出起爆信號，MEMS慣性觸發電路在慣性開關輸出起爆信號后輸出起爆信號。通過實驗可以看出MEMS慣性觸發電路和慣性開關感知不同硬度目標的響應速度是可以區分開的。控制芯片根據MEMS慣性觸發電路和慣性開關兩路信號時間先后差異，結合導引信息，進行延時精確起爆控制。

4.2 驗證

將MEMS慣性觸發電路和慣性開關通過工裝擰緊在沖擊平臺中心位置，通過調整沖擊平臺高度和信號發生器類型來調整所受沖擊g值。

試驗結果為：當沖擊慣性g值小于1 800g值時，MEMS慣性觸發電路響應速度快先行輸出起爆信號，慣性開關在MEMS慣性觸發電路響應后0.2 ms輸出閉合；當沖擊慣性g值較大時，慣性開關先行輸出起爆信號，MEMS慣性觸發電路在慣性開關輸出起爆信號后0.4 ms輸出起爆信號。通過實驗可以看出根據2路不同的觸發輸出信號時間差異感知不同硬度目標，控制芯片根據兩路信號時間先后差異，結合導引信息，進行延時精確起爆控制。

圖15 350g值沖擊時MEMS慣性觸發電路 和慣性開關復合輸出圖像

圖16 2 500g值沖擊時MEMS慣性觸發電路 和慣性開關復合輸出圖像

5 結論

通過使用ABAQUS動力學仿真分析了慣性開關作用過程，并根據仿真結果及沖擊試驗確定防空導彈引信中的MEMS慣性觸發電路和慣性開關受到不同大小慣性力時的電信號特征情況，并通過電路模塊中的控制芯片進行了識別與確認，2路信號均能可靠起爆傳爆序列，最終實現了對不同目標的識別，并可應用于起爆點的精確控制。

MEMS慣性觸發電路可以對防空導彈彈道過載進行準確的測量，當沖擊過載超過300g時，MEMS慣性觸發電路可以有效起爆傳爆序列，當沖擊過載小于300g時，MEMS慣性觸發電路可以有效保證傳爆序列不發火，可保證防空導彈初始飛行彈道安全。

慣性開關抗大慣性過載能力強，結構簡單，不易損壞。在保證低g值慣性觸發可靠的同時，可彌補MEMS慣性觸發電路大g值慣性觸發能力的不足。使防空導彈觸發作用可靠性得到了有效保障。

經沖擊試驗證實，當受到低g值慣性力作用時，自適應觸發機構中的MEMS慣性觸發電路響應速度快先行輸出起爆信號，慣性開關在MEMS慣性觸發電路響應后0.2 ms輸出閉合；當沖擊慣性g值較大時，慣性開關先行輸出起爆信號，MEMS慣性觸發電路在慣性開關輸出起爆信號后0.4 ms輸出起爆信號。根據兩路不同的觸發輸出信號時間差異感知不同硬度目標，電路控制模塊根據自適應觸發機構兩路信號時間先后差異，實現了對不同硬度目標的識別技術研究，可以向引信提供延時精確起爆控制信號。